Les microsatellites¹ appelés également simple sequences ou short tandem repeats, sont des séquences simples et courtes, composées d’un motif k répété n fois [ 1]. La longueur du motif k varie de 1 à 6 bases répétées en tandem² et les différentes catégories sont désignées en fonction du nombre de bases contiguës constituant k. On parle de mono-nucléotide lorsque k = 1 [ex. (A)₂₆] ou d’hexa-nucléotide lorsque k = 6 [ex. (CTGTCA)₁₀]. Les répétitions qui constituent le motif peuvent être uniques (microsatellites parfaits) ou multiples (microsatellites imparfaits pouvant être interrompus ou composés) (Tableau I). Ce nombre de répétitions varie d’un individu à l’autre et au cours des générations, on parle de polymorphisme de taille [ex. (CA)₁₅, (CA)₁₁ ou (CA)₁₉]. Les microsatellites montrent également un polymorphisme de structure, qui correspond à un changement d’une base en une autre à l’intérieur du motif [(CA)₁₆, ici A → T (CA)₁₃ CT (CA)₂]. Si les changements de taille (~10⁻³ mutation/génération/locus) sont en moyenne 1 000 000 fois plus fréquents que les changements de structure (~ 10⁻⁹ mutation/génération/locus comme taux de substitution moyen), ils sont intimement liés les uns aux autres. Nombreux dans l’ensemble des génomes eucaryotes, ils représentent environ 1,6 % du génome humain [ 3] et 3 % de celui de la souris [ 4]. Les dinucléotides représentent 0,5 % de notre ADN dont 50 % sont (CA)_n et 35 % (AT)_n. Chez les mammifères et les arthropodes, les dinucléotides (CA)_n sont les plus fréquents, mais ils sont fortement sous-représentés chez les oiseaux [ 5], démontrant une réelle hétérogénéité de la dynamique de chaque motif entre espèces, mais également au sein du génome d’une même espèce [ 2].

Tableau I. Les différents types de motifs microsatellites.

Tableau I. Les différents types de motifs microsatellites.

Les microsatellites sont des séquences possédant un réel potentiel évolutif voire adaptatif. Le fait que chaque locus ait la capacité de changer de taille au cours des générations, et se trouve aussi bien dans une région codante que non codante souligne leur caractère plastique. Mais cette plasticité repose essentiellement sur un facteur : leur taille. Faire référence à un microsatellite, c’est a priori désigner des unités répétées en tandem. On pourrait donc considérer que deux répétitions du même motif, par exemple (CA)_2, constituent un microsatellite au même titre que (CA)₈. Or il n’en est rien, puisque au terme microsatellite est également associée la notion de polymorphisme, cette dernière étant directement liée à une taille minimale en deçà de laquelle un microsatellite ne peut être considéré comme polymorphe. Comme nous allons le découvrir, le polymorphisme est transitoire, c’est un état temporaire caractéristique de la dynamique cyclique des microsatellites et de la variabilité du taux de mutation d’un locus donné au cours des générations. Les facteurs impliqués dans l’évolution des microsatellites peuvent être représentés (Figure 1) au sein d’un cycle vital à quatre phases, où le passage de l’une à l’autre est contrôlé par la taille : (1) la conception : mise en place de la matrice minimale (monomorphe par exemple (CA)₃) ; (2) la naissance : le passage de la matrice initiale au microsatellite polymorphe ; (3) la croissance : phase de maturité caractérisée par le maintien d’un polymorphisme pendant plusieurs générations ; et (4) la sénescence ou renaissance : la disparition du locus ou le redémarrage d’un cycle.

Figure 1. Représentation sous forme de cycle de vie de la dynamique d’un locus microsatellite (par exemple CAn). Les quatre phases sont représentées avec conception, naissance, croissance et sénescence ou renaissance, et Rep : réplication, G.P. : glissement de la polymérase, Real :réalignement, Real I. : réalignement inégal, E.P. : exonucleolytic proofreading, Ext : Extension, et MMR : mismatch repair (système de réparation des mésappariements) pouvant intervenir à n’importe quel moment du cycle.

Figure 1. Représentation sous forme de cycle de vie de la dynamique d’un locus microsatellite (par exemple CAn). Les quatre phases sont représentées avec conception, naissance, croissance et sénescence ou renaissance, et Rep : réplication, G.P. : glissement de la polymérase, Real :réalignement, Real I. : réalignement inégal, E.P. : exonucleolytic proofreading, Ext : Extension, et MMR : mismatch repair (système de réparation des mésappariements) pouvant intervenir à n’importe quel moment du cycle.

La croissance : maturité et régime « yoyo » des microsatellites

La phase de croissance des microsatellites constitue la période de leur vie pendant laquelle ils sont polymorphes, et, de ce fait informatifs et utiles dans de nombreuses disciplines. Les facteurs capables d’expliquer les variations de ce polymorphisme se répartissent en cinq groupes : les mécanismes de mutations impliqués, la nature même du microsatellite (par exemple, la longueur du motif), le contexte génomique (le contenu en GC), le contexte individuel (par exemple le sexe) et enfin les influences sélectives [ 14]. Je m’attacherai à décrire ici les mécanismes mutationnels capables d’expliquer les changements de taille (et donc responsables du polymorphisme de ces séquences dans les populations humaines) et schématiserai les autres facteurs susceptibles d’expliquer les variations de ce polymorphisme entre individus (Figure 2).

Figure 2. Polymorphisme des microsatellites. Les cinq catégories de facteurs capables d’expliquer les variations de polymorphisme d’un locus microsatellite à l’autre : les mécanismes mutationnels, la nature des microsatellites, le contexte génomique, le contexte individuel et les influences sélectives.

Figure 2. Polymorphisme des microsatellites. Les cinq catégories de facteurs capables d’expliquer les variations de polymorphisme d’un locus microsatellite à l’autre : les mécanismes mutationnels, la nature des microsatellites, le contexte génomique, le contexte individuel et les influences sélectives.

Différents mécanismes mutationnels non exclusifs peuvent être à l’origine des changements de taille à partir d’un microsatellite minimum (CA)₈. La recombinaison inégale entre chromosomes et/ou chromatides sœurs pourrait expliquer les variations de taille, l’échange inégal de segments d’ADN provoquant la perte d’unités sur un brin et le gain d’unités sur l’autre. Néanmoins, Klintschar et al. [ 15] ont étudié 4 900 transmissions d’allèles microsatellites entre parents et enfants, mettant en évidence, par l’étude de marqueurs flanquant ces locus, l’absence d’événements de recombinaison inégale. Cette étude confirmerait donc la suprématie d’un seul mécanisme moléculaire capable d’expliquer les changements de taille des microsatellites et leur fort taux de mutations : le glissement de la polymérase ou slippage [ 16]. Ce dernier serait en effet responsable des gains et pertes d’unités répétées. Le principe en est simple : lors de la polymérisation du néo-brin d’ADN, la polymérase effectue des pauses pendant lesquelles des mésappariements locaux peuvent survenir. Il se forme alors une/des boucle(s) en raison de la présence d’unités répétées (le microsatellite lui-même ou des répétitions environnantes). Il en résulte un ré-appariement imparfait, et donc une synthèse non fidèle de la matrice initiale. Selon que la boucle se forme sur le brin matrice ou le néo-brin, il y aura perte (contraction) ou gain (expansion) d’une unité répétée. Deux modèles d’évolution ont été proposés pour traduire ces changements de taille au cours des générations : le modèle SMM (single mutation model), impliquant le gain ou la perte d’une seule unité k et le TPM (two phase model) supposant majoritairement le gain ou la perte d’une unité k et plus rarement de plusieurs (pour revue, voir [ 17]). Précisons que jusqu’à présent, ce phénomène a été observé dans de nombreuses ADN polymérases mais uniquement in vitro (pour revue, voir [ 18]).

L’ensemble des mécanismes mutationnels impliqués dans les changements de structure ou de longueur est assujetti aux mécanismes de réparation de l’ADN, corrigeant la plupart du temps les néo-mutations. De fait, l’apparition d’un nouvel allèle à un locus donné peut être considérée comme le résultat d’un équilibre subtil entre une mutation (substitution, insertions-délétions, crossing-over inégal ou glissement de la polymérase) et la non réparation de cette erreur [ 19]. Je n’évoquerai que brièvement les deux voies principales de correction de ces erreurs : (1) exonucleolytic proofreading ^3, qui répare essentiellement les mono/dinucléotides et prévient (partiellement) les incorporations de bases, influençant en priorité l’effet des insertions-délétions (voir phase de conception) ; (2) la réparation des mésappariements de bases (mismatch repair) qui corrige les mésappariements (voir phase de croissance). Ces deux mécanismes sont sensibles à de très nombreux facteurs comme la nature du microsatellite, sa composition nucléotidique, sa localisation sur l’ADN nucléaire ou celui des organites, le contenu en GC, l’état de méthylation, le niveau de transcription, l’espèce ainsi que les conditions environnementales associées à son milieu de vie [18]. Des altérations de ces systèmes de réparation entraînent l’accroissement du nombre de répétitions responsables de certains cancers (pour revue voir [ 20]). En conséquence, évaluer précisément l’impact de ces systèmes de réparation sur les variations de taille au cours des générations permettrait de prédire l’évolution des structures microsatellites et plus particulièrement celles qui sont dans des régions dites chaudes (intra-génique ou dans des zones régulatrices). Vu la complexité même de la dynamique de chacun des facteurs influençant ces systèmes, l’exercice pourrait se révéler difficile.

Les microsatellites sont qualifiés de séquences sélectivement neutres. Cette définition implique qu’ils sont a priori distribués de façon aléatoire dans les génomes, se transmettent selon un mode mendélien et sont capables d’enregistrer la trace des événements stochastiques passés [ 27]. C’est pour cette raison qu’ils sont utilisés en médecine légale, combinés les uns aux autres afin de constituer des empreintes génétiques uniques. Également très employés en génétique des populations, ils servent à retracer l’histoire des populations contemporaines de n’importe quelle espèce. De telles utilisations impliquent que les mécanismes mutationnels régissant leur dynamique soient purement stochastiques. Pourtant, la littérature nous montre clairement qu’il n’en est rien. Par exemple, les distributions alléliques de certains microsatellites présents sur le chromosome X sont différentes entre hommes et femmes suggérant l’existence d’une sélection spécifique du sexe [ 28] ; l’amplification d’un même locus chez des espèces ayant divergé de 3 à 470 mA laisse présumer d’une forte conservation de certaines séquences flanquantes [ 29– 31] ; l’absence de tri-nucléotides dans des régions codantes, qui pourrait potentiellement décaler les cadres de lecture, souligne la contre-sélection de ces microsatellites dans des régions intra- mais également inter-géniques [ 32] ; le polymorphisme de longueur d’un microsatellite (T)8 localisé en 3’ du gène CEACAM1 (carcinoembryonic antigen-related cell-adhesion molecule-1 biliary glycoprotein) affectant fortement l’expression de ce gène dans les cellules cancéreuses laisse présumer du rôle potentiel des microsatellites comme agents régulateurs [ 33] (voir Figure 3 [ 34]). Enfin, substitutions et insertions-délétions seraient plus fréquentes au niveau des séquences flanquant les répétitions, laissant entrevoir un possible bais de mutation [ 35].

Figure 3 Fonctions et effets potentiels des microsatellites dans les génomes. Sous forme de trois champs d’action : régulation des processus métaboliques de l’ADN, régulation de l’activité des gènes et organisation de la chromatine.

Figure 3 Fonctions et effets potentiels des microsatellites dans les génomes. Sous forme de trois champs d’action : régulation des processus métaboliques de l’ADN, régulation de l’activité des gènes et organisation de la chromatine.

Ces observations isolées, parfois contradictoires, mais parfaitement informatives, soulignent : (1) la forte influence de l’environnement génomique et (2) la spécificité des processus de mutation agissant à proximité des microsatellites. Ce dernier point vient d’être analysé en détails [ 36]. En analysant les séquences flanquant plusieurs milliers d’(AC)_n dans les génomes humain et chimpanzé, ces auteurs ont mis en évidence un taux de mutation élevé au niveau des 20-50 bases flanquant les (AC)_n, une forte asymétrie des processus de mutations 5’ versus 3’, et une évolution convergente des séquences flanquant des motifs de même taille (par exemple (AC)₉). De plus, ils montrent que les biais de mutation (lorsque par exemple les transitions dominent les transversions) seraient observés dès le stade (CA)₂ mais s’accentueraient avec la taille du microsatellite. Au final ces biais de mutation pourraient bien affecter plus de 30 % du génome humain, confirmant ainsi la difficulté qu’il y a à extrapoler les patterns de mutations. Néanmoins, cela ne résout pas le principal problème qui est de savoir si c’est l’environnement génomique qui influence les microsatellites ou bien le contraire. Dès lors, il apparaît très difficile de statuer sur le fait qu’ils soient neutres ou pas. Une certitude néanmoins : ils sont suffisamment neutres pour certaines disciplines. Ainsi, les variations de taux de mutations n’affectent en rien une recherche de paternité. En revanche, le caractère cyclique des processus de mutation pourrait bien rendre complexe la calibration de certains paramètres d’estimation en génétique des populations (coalescence) et invalider l’utilisation de certains systèmes type SNPSTR (single nucleotid polymorphisms short tandem repeats) (voir la discussion du concept dans [ 37]). Continuer à clamer la parfaite neutralité de ces séquences, du moins sur l’ensemble de leur cycle vital, apparaît peu raisonnable. Néanmoins, les microsatellites ne sont pas tous soumis à des contraintes sélectives - à moins que les coefficients sélectifs ne soient très bas - car il existe un nombre très important d’études de génétique des populations ayant trouvé des réponses cohérentes à des questions biologiques spécifiques. La réponse pourrait être intermédiaire, entre neutralité et sélection, certaines phases de leur cycle de vie étant plus soumises au biais de mutation (conception, naissance, sénescence) que d’autres (croissance et second cycle).

Bien que très populaires, les microsatellites restent donc au centre de nombreux débats. Ce sont des séquences complexes, dont la dynamique évolutive dépend de multiples facteurs aux dynamiques elles-mêmes relativement obscures (substitution, recombinaison, insertions-délétion, mécanisme de réparation de l’ADN, sélection, etc.).

Je tiens à remercier le Dr Celia May pour nos échanges sur les crossing-over inégaux ainsi que le Dr Nicolas Poulet pour nos discussions sur l’évolution de ces séquences et sa précieuse assistance dans la réalisation des illustrations.